Động cơ xăng 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ diesel

ĐỘNG CƠ XĂNG 2 KỲ, 4 KỲ, ĐỘNG CƠ DIESEL 1. Cấu tạo chung:  Trên hình vẽ là sơ đồ cấu tạo của một động cơ 2 kỳ. Động cơ 2 kỳ có một số đặc điểm cơ bản sau :  . Động cơ không có cơ cấu phối khí , kết cấu đơn giản và có khối lượng nhẹ hơn động cơ 4 kỳ.  . Trên thân xy lanh có các cửa nạp nhiên liệu, cửa thoát và cửa nạp chuyển.  . Pittông di chuyển lên xuống trong xy lanh và làm nhiệm vụ đóng mở các cửa ( nạp, xả, nạp chuyển).  . Chu trình của động cơ 2 kỳ diễn ra trọn vẹn trong một vòng quay của trục khuỷu ( tương ứng với 2 hành trình của pittông). Như vậy cứ sau mỗi vòng quay của trục khuỷu lại có một kỳ sinh công.  . Trong lúc động cơ làm việc, đồng thời cả phía trên và dưới của pittông đều xảy ra các quá trình chuyển hóa.  2. Hoạt động của động cơ 2 kỳ :  @ Kỳ nạp và nén thứ cấp :  Khi pittông di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, tạo ra áp suất chân không trong hộp trục khuỷu và khi thân piston mở cửa nạp, hỗn hợp không khí-xăng từ chế hòa khí sẽ được hút vào trong hộp trục khuỷu . Tiếp theo đó, đầu pittong sẽ đóng các cửa nạp chuyển và cửa xả để nén lượng hòa khí đã được đưa lên buồng đốt.  @ Kỳ cháy giãn nở và nén sơ cấp :  Khi pittông đi lên gần tới ĐCT, hỗn hoợp nén sẽ được đốt cháy bằng tia lửa điện phát ra từ bugi. Khí cháy giãn nở sinh ra áp suất lớn đẩy pitông đi xuống, truyền qua thanh truyền làm quay trục khuỷu. Khi pittông đi xuống, thân pittông đóng kín cửa nạp, nén hỗn hợp đã được hút vào hộp trục khuỷu trong kỳ nạp(nén sơ cấp).  @ Kỳ xả và nén sơ cấp :  Khi pittông tiếp tục đi xuống, đầu pittông sẽ mở cửa xả và khí cháy được thoát ra ngoài. Cùng lúc này, hỗn hợp hòa khí trong hộp trục khuỷu vẫn tiếp tục bị nén lại với áp suất cao hơn.  @ Kỳ xả và nạp chuyển :  Pittông tiếp tục đi xuống, đầu pittông mở cửa nạp chuyển, hỗn hợp khí bị nén trong hộp trục khuỷu sẽ theo đường nạp chuyển trên thành xy lanh vào buồng đốt. Hỗn hợp khí tươi này sẽ góp phần đẩy khí cháy ra khỏi buồng đốt để hoà khí tươi được nạp đầy đủ hơn(ở khoảng nửa cuối hành trình đi xuống của piston).  Nguyên tắc động cơ 2 thì Otto 3. Các loại hệ thống nạp của động cơ 2 kỳ :  a. Hệ thống nạp kiểu van pittông: Đây là loại phổ biến và lâu đời nhất của đông cơ 2 kỳ. Trên thân xy lanh có cửa nạp được đóng mở bởi pittông. Có 2 loại chính :  @ Loại 4 cửa :  Đây là loại có cấu tạo cơ bản và đơn giản nhất của động cơ 2 kỳ. Trên thành xy lanh có 4 cửa : 1 cửa nạp, 1cửa xả, 2 cửa nạp chuyển ( xem hình bên dưới) .  @ Loại 6 cửa :  Đây là loại cải tiến từ loại 4 cửa. Có thêm 2 cửa nạp chuyển bổ sung để quét sạch khói cháy và tăng hiệu qủa nạp chuyển. Có 6 cửa : 1cửa nạp, 1cửa xả, 2 cửa nạp chuyển chính và 2 cửa nạp chuyển phụ.(Xem hình bên dưới)  b. Hệ thống nạp kiểu van xoay:Trong hệ thống này, cửa nạp được bố trí trên vách của hộp trục khủyu chứ không phải trên thân xy lanh như loại van pittông. Đóng và mở cửa nạp trong trường hợp này là một đĩa (van) xoay có một phần được cắt, đĩa này được trục khuỷu dẫn động (xem hình bên dưới). Do không có cửa nạp trên thành xy lanh nên có thêm 1 cửa nạp chuyển bố trí trực diện với cửa xả làm tăng hiệu qủa quét khí cháy.  c. Hệ thống nạp van lưỡi gà : Đây là hệ thống nạp được sử dụng trên các động cơ 2 kỳ hiện đại, có nhiều ưu điểm hơn hẳn 2 loại đã kể ở trên. Cửa nạp được bố trí trên vách hộp trục khuỷu, van lưỡi gà được làm bằng các tấm thép mỏng đàn hồi tốt. Việc đóng và mở van lưỡi gà được thực hiện nhờ áp suất thay đổi trong hộp trục khuỷu. Khi áp suất trong hộp trục khuỷu âm(lúc piston đi từ ĐCD lên ĐCT), van lưỡi gà sẽ mở ra; khi pittông đi xuống áp suất trong hộp trục khuỷu tăng dần sẽ làm van lưỡi gà đóng lại.  4. Ưu và khuyết điểm của động cơ 2 kỳ :  Ưu điểm :  . Ứng với mỗi vòng quay trục khuỷu đều có một kỳ sinh công, vòng quay của trục khuỷu ổn định ; Công suất và mô men sinh ra đều và ổn định.  . Kết cấu động cơ không có cụm phối khí ( Trục cam, cò mổ, xupap ) nên giảm đáng kể số lượng chi tiết, giảm chi phí chế tạo và việc bảo trì sửa chữa cũng dễ dàng hơn.  . So sánh với một động cơ 4 kỳ có cùng tốc độ động cơ thì công suất do động cơ 2 kỳ sinh ra lớn hơn . . Số chu kỳ sinh công nhiều gấp đôi so với động cơ 4 kỳ, nên với dung tích xy lanh và hiệu suất cháy giãn nở như nhau thì công suất sinh ra lớn gấp đôi so với động cơ 4 kỳ ( thực tế gấp khoảng 1.7 lần). khả năng tăng tốc rất nhanh.  Nhược điểm :  . Quá trình nạp và xả ngắn ( do piston điều khiển) nên mất mát nhiên liệu lớn.  . Do bố trí các cửa (các lỗ) trên thành xy lanh nên xéc măng bị nhanh mòn và mòn không đều.  . Dễ xảy ra hiện tượng quá nhiệt của động cơ do cửa xả bố trí trên thành xy lanh.  . Do phải sử dụng thường xuyên lượng nhớt ( dầu) mới để bôi trơn phần động cơ, nên tiêu tốn dầu bôi trơn nhiều.  NGUYÊN LÝ HỌAT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng (hay động cơ Otto). Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén. Động cơ Diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel. Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.  NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ 1.2.1. Kỳ một- Kỳ nạp: Pittông còn nằm ở ĐCT. Lúc này trong thể tích buồng cháy Vc còn đầy khí sót của chu trình trước, áp suất khí sót bên trong xilanh cao hơn áp suất khí quyển. Trên đồ thị công, vị trí bắt đầu kỳ nạp tương ứng với điểm r. Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm chuyển dịch pittông từ ĐCT đến ĐCD, xuppap nạp mở thông xilanh với đường ống nạp. Cùng với sự tăng tốc của pittông, áp suất môi chất trong xilanh trở  0,01-»pk Dnên nhỏ dần hơn so với áp suất trên đường ống nạp pk ( 0,03Mpa). Sư giảm áp suất bên trong xilanh so với áp suất của đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từ đường ống nạp vào xilanh. Trên đồ thị công, kỳ nạp được thể hiện qua đường r-a. Áp suất môi chất đối với động cơ ta xét bằng với áp suất khí quyển. 1.2.2. Kỳ hai- kỳ nén: Pittông chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT, các xupap hút và xả đều đóng, môi chất bên trong xilanh bi nén lại. Cuối kỳ nạp khi pittông còn ở tại ĐCD, áp suất môi chất bên trong xilanh pa còn nhỏ hơn pk. Đầu kỳ nén, pittông từ ĐCD đến ĐCT khi tới điểm a’ áp suất bên trong xilanh mới đạt tới giá trị pk. Do đó, để hoàn thiện quá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở (trước điểm a’). Việc đóng xupap nạp là nhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa xilanh và đường ống nạp cũng như động năng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mới vào xilanh. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của pittông sẽ làm áp suất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối quá , độ kín của buồngetrình nén pc (tại điểm c) phụ thuộc vào tỷ số nén  đốt, mức độ tản nhiệt của thành vách xilanh và áp suất của môi chất ở đầu quá trình nén pa. Việc tự bốc cháy của hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng tốt nhiệt lượng do nhiên liêu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy phía ở lân cận ĐCT. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh động cơ đều được thực hiện trước khi pittông đến ĐCT. Trên đồ thị công kỳ nén được thể hiện qua đường cong a-c. \ 1.2.3. Kỳ ba- kỳ cháy và giãn nở: Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm nhiệt độ và áp suất môi chất tăng mạnh, mặt dù thể tích làm việc có tăng lên chút ít (đường c-z trên đồ thị công). Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi là hành trình công tác (sinh công). Trên đồ thị kỳ cháy và giãn nở được biểu diễn qua đường c-z-b. 1.2.4. Kỳ bốn- kỳ thải: Kỳ thải trong kỳ này, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh. Pittônng chuyển dịch từ ĐCD đến ĐCT đẩy khí thải ra khỏi xilanh qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải, do áp suất bên trong xilanh ở cuối quá trình thải còn khá cao, nên xupap xả bắt đầu mở khi pittông còn cách ĐCD 430 góc quay của truc khuỷu. nhờ vậy, giảm được lực cản đối với pittông trong quá trình thải khí và nhờ sự chênh áp lớn tạo sự thoát khí dễ dàng từ xilanh ra đường ống thải, cải thiện được việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ. Trên đồ thị công, kỳ thải được thể hiện qua đường b-r. Kỳ thải kết thúc chu trình công tác, tiếp theo pittông sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên. Để thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh, xupap xả không đóng tại vị trí ĐCT mà chậm hơn một chút, sau khi pittông qua khỏi ĐCT 170 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một. Để giảm sức cản cho quá trình nạp, nghĩa là cửa nạp phải được mở dần trong khi pittông đi xuống trong kỳ một, xupap nạp cũng được mở sớm một chút trước khi pittông đến điểm chết trên 170 góc quay trục khuỷu. Như vậy vào cuối kỳ thải và đầu kỳ nạp cả hai xupap nạp và xả đều mở. Tóm lại, quá trình động cơ thực hiện hoàn thiện bốn kỳ xem như là quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ nói chung. Ưu Nhược Điểm của Động cơ Diesel Động cơ diesel ra đời sớm hơn và có nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng khoảng 30%. Nhưng đến nay, nhìn chung động cơ diesel vẫn ít phổ biến hơn động cơ xăng chỉ do vấn đề về tiếng ồn và khí thải. Công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ diesel. Sự ra đời của các công nghệ như tăng áp và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp cách đây vài năm đã khiến động cơ diesel mạnh mẽ không thua kém gì những động cơ xăng tốt nhất, mà vẫn giữ nguyên ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu. Bên cạnh đó, giờ đây đã có những công nghệ động cơ diesel gần “sạch” bằng động cơ xăng. Bắt đầu có nhiều hãng ô tô nhập cuộc, như Ford, Cadillac, Audi, Buick, Chevrolet, Pontiac, Volvo và BMW, đặc biệt là khi xảy ra 2 cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào thập kỷ 70 và 80. Trong suốt quãng thời gian thăng trầm này, công nghệ động cơ diesel liên tục có những bước cải tiến lớn. Đến nay, tiếng ồn của động cơ đã giảm, nhờ hệ thống cách âm và kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu tốt hơn; khói thải giảm xuống và thời gian khởi động nhanh gần bằng động cơ xăng, nhờ cải tiến buồng đốt. Cần lưu ý rằng một trong những điểm khác biệt cơ bản nhất giữa động cơ diesel và động cơ xăng là cơ chế đánh lửa. Trong khi động cơ xăng cần có bugi để kích hoạt cháy nổ của hỗn hợp xăng-không khí, thì động cơ diesel không có bộ phận đánh lửa mà nén khí và phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt. Chính sức nóng của khí nén sẽ đốt cháy nhiên liệu. Không khí bị đốt nóng nhờ tỷ số nén cao. Động cơ xăng nén hòa khí với tỷ số từ 8:1 đến 12:1, trong khi động cơ diesel nén với tỷ số từ 14:1 đến 25:1. Chính cơ chế tự cháy nổ này khiến động cơ diesel có hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu cao hơn động cơ xăng. Tuy nhiên, quá trình đốt cháy nhiên liệu của động cơ diesel sinh ra nhiều bụi than hơn nên khói xả thường đen. Diesel có nồng độ lưu huỳnh thấp đã khắc phục đáng kể nhược điểm này.